CN209170408U - 应用于智能化透传通信设备的透传通信电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于智能化透传通信设备的透传通信电路。该电路包括型号为STM32‑F407的ARM单片机，以及与ARM单片机连接的调试接口电路、电源电路、通信接口电路、GSM模块、LTE模块及TETRA模块；通信接口电路分为Uartl通信接口电路、CAN通信接口电路和Ethernet通信接口电路；本实用新型提供了模块化的接口，减少产品的研发周期，可移植性比较高，能够满足各类产品，减少了产品的开发维护周期。

Description

应用于智能化透传通信设备的透传通信电路

技术领域

本实用新型涉及应用于铁路、地铁中模块化的的通信设备，尤其涉及多模块下的一种应用于智能化透传通信设备的透传通信电路。

背景技术

随着地铁行业的快速发展，很多通信模块都对外提供标准的通信接口，这对于主控的MCU有更高的接口要求，一旦模块增多，接口就可能导致匮乏，导致主控MCU的选择受到限制，以至于增加了主控的MCU的资源耗费问题，从而增加各个模块之间工作协调问题。针对主控设备与主机设备分离的产品，主控设备负责控制模块，但由于距离以及通信模块的增加，使得主控设备所耗费的资源得到增加，主控设备开发难度增加。

发明内容

鉴于现有技术现状和提出的问题，本实用新型提供一种应用于智能化透传通信设备的透传通信电路。透传通信设备主要是针对挂载的通信模块而设计，转接单元具有丰富的串行接口，透传通信设备对外提供标准的通信接口即可，透传通信设备在硬件设计上预留模块选择开关，透传通信设备通过检测来评估自身如何工作，针对不同的模块设计不同的控制流程，间接的替主控设备完成对模块的控制。在主控设备与透传通信设备之间需要设计一套可靠的硬件通信电路。

本实用新型采取的技术方案是：一种应用于智能化透传通信设备的透传通信电路，其特征在于，该电路包括型号为STM32-F407的ARM单片机U2，以及与ARM单片机连接的调试接口电路、电源电路、通信接口电路、GSM模块、LTE模块及TETRA模块；所述的通信接口电路分为Uart1通信接口电路、CAN通信接口电路和Ethernet通信接口电路。

所述的电源电路采用型号为ASM1117直流稳压芯片U1，直流稳压芯片U1的3脚连接电容C4的一端、电解电容C1的正极、二极管D1的阳极，由外部提供5V直流电源，然后通过开关S1接插座XS1的1端；二极管D1的阴极通过电阻R1接插座XS1的2端，又与电解电容C1的负极、电容C4的另一端、直流稳压芯片U1的1脚连接后接地；直流稳压芯片U1的2脚和4脚连接后，又连接电解电容C2的正极及电容C3的一端，连接后输出ARM单片机所需要的3.3V直流电压；电解电容C2的负极与电容C3的另一端连接后接地。

所述的调试接口电路采用晶振XTAL，所述的ARM单片机U2的13脚和12脚分别连接晶振XTAL的两端，又分别通过电容C13、电容C14连接到ARM单片机U2的94脚，连接后接地；ARM单片机U2的49脚和73脚分别通过电容C11、电容C12连接到ARM单片机的20脚、99脚、74脚、27脚、10脚，连接后接地；ARM单片机U2的21脚、22脚、11脚、19脚、28脚、50脚、75脚、100脚连接后，连接电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9的一端，电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9的另一端连接后接地；插座XS2的1脚和2脚连接后接3.3V直流电压；3脚、5脚、7脚、9脚、13脚、15脚分别连接电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R8、电阻R7及电阻R6的一端，然后分别连接到ARM单片机U2的90脚、77脚、72脚、76脚、89脚、14脚；电阻R3、电阻R4及电阻R5的另一端连接后接3.3V直流电压；电阻R7及电阻R6的另一端连接后接3.3V直流电压；插座XS2的17脚、19脚分别通过电阻R9、电阻R10与电阻R8的另一端连接后接地；插座XS2的4脚、6脚、8脚、10脚、12脚、14脚、16脚、18脚、20脚连接后接地。

所述的通信接口电路分为Uartl通信接口电路、CAN通信接口电路和Ethernet通信接口电路，其中Ethernet通信接口电路采用型号为LAN8720A以太网驱动芯片U4和型号为HR911105A插座XS3，以太网驱动芯片U4的12脚、13脚、17脚、18脚、16脚、8脚、7脚、11脚、14脚分别连接到所述的ARM单片机U2的25脚、16脚、51脚、52脚、48脚、33脚、34脚、32脚、84脚，以太网驱动芯片U4的15引脚连接到ARM单片机U2的14引脚；以太网驱动芯片U4的24脚通过电阻R15接地；以太网驱动芯片U4的21脚、20脚、23脚、22脚、3脚、2脚分别连接到插座XS3的1脚、2脚、3脚、6脚、12脚、10脚；以太网驱动芯片U4的19脚、1脚、9脚、6脚、3脚、2脚分别通过电容C15、电容C16、电容C17、电容C18与以太网驱动芯片U4的25脚连接后接地；以太网驱动芯片U4的5脚连接到ARM单片机U2的24脚；插座XS3的1脚、2脚、3脚、6脚分别通过电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14接3.3V电压；插座XS3的4脚和5脚连接后通过电容C19与8脚连接，连接后接地；插座XS3的11脚接地。

所述的CAN通信接口电路采用型号为MCP2251D的CAN芯片U6和型号为TJA1050的CAN芯片U7，其中CAN芯片U6的1脚和4脚分别连接到所述ARM单片机U2的92脚、91脚，3脚接3.3V电压，2脚接地，8脚通过电阻R16接地，7脚和6脚分别连接电阻R17的两端，然后分别接到接插件J1的2端和3端；所述CAN芯片U7的1脚和4脚分别连接到ARM单片机U2的82脚和81脚，3脚接3.3V电压，2脚接地，8脚通过电阻R18接地，7脚和6脚分别连接电阻R19的两端，然后分别接到接插件J2的2端和3端。

所述的Uartl通信接口电路采用型号为MAX485电平转换芯片U11，电平转换芯片U11的1脚连接到所述ARM单片机U2的69脚，4脚连接到ARM单片机U2的68脚，3脚和4脚连接后连接到ARM单片机U2的54脚，8脚接5V电源，5脚接地，7脚和6脚连接电阻R22的两端后分别连接到接插件XS7的两端，然后7脚通过电阻R21接地，6脚通过电阻R23接5V电源。

所述的GSM模块、LTE模块及TETRA模块采用MAX232串口芯片U9，串口芯片U9的2脚与16脚之间并接电容C22，并且16脚连接3.3V电压，电容C20、电容C21并联的一端连接到3.3V电压，另一端直接接地；15脚直接接地；串口芯片U9的13脚、11脚、10脚、8脚分别连接到所述ARM单片机U2的87脚、86脚、47脚、48脚；1脚和3脚分别连接电容C23的两端，4脚和5脚分别连接电容C24的两端，6脚通过电容C25接地；串口芯片U9的14脚、12脚、9脚、7脚分别连接到TETRA插座XS5的3脚、2脚及GSM插座XS4的2脚、3脚；TETRA插座XS5的1脚接3.3V电压，4脚和5脚连接后接地； GSM插座XS4的1脚接3.3V电压，4脚和5脚连接后接地； LTE插座XS6的2脚、3脚分别连接到ARM单片机U2的24脚、78脚，1脚接3.3V电压，4脚和5脚连接后接地。

本实用新型采用模块化的设计，把原先主控设备直接控制的通信模块，转嫁到透传通信设备上，透传通信设备通过硬件的模块设计，把目前地铁常用的通信模块都兼容到此硬件，然后软件根据硬件预留的拨码开关来初步识别模块组合，通过软件的区分完成对模块的控制。在主控设备与透传通信设备之间商定好协议之后，主控设备不必关心透传通信设备是如何控制通信模块，而透传通信设备自身把协议解析处理，直接控制模块。

智能化透传通信设备是为主控单元与控制模块之间添加的桥梁，把复杂的通信端口转换为简单可靠的连接方式。节省主控设备的硬件资源。智能化透传通信设备提供可靠的硬件通信电路，让主控设备与模块之间的通信更加可靠。智能化透传通信设备本身硬件功能强大，能够添加操作系统，为后期的多任务提供了基础，增加模块的实时处理性能。

本实用新型所产生的有益效果是：提供了模块化的接口，减少产品的研发周期，智能化透传通信设备承担主机与主控设备通信。主控设备只是专注研发各个模块基础功能，智能化通信设备的加入能够满足各类产品的需求. 通过智能化透传通信设备可以减轻主控设备负担，可移植性比较高，减少了产品的维护周期。

附图说明

图1是本实用新型透传通信设备的硬件总体设计框图；

图2是图1中电源电路原理图；

图3是图1中调试接口电路原理图；

图4是图1中Ethernet通信接口电路原理图；

图5是图1中CAN通信接口电路原理图；

图6是图1中Uartl通信接口电路原理图；

图7是图1中LTE、TETRA、GSM模块通信接口电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，该电路包括型号为STM32-F407的ARM单片机，以及与ARM单片机连接的调试接口电路、电源电路、通信接口电路、GSM模块、LTE模块及TETRA模块；通信接口电路分为Uartl（串口1）通信接口电路、CAN（控制器局域网络）通信接口电路和Ethernet（以太网）通信接口电路。

如图2所示，电源电路采用型号为ASM1117直流稳压芯片U1，直流稳压芯片U1的3脚连接电容C4的一端、电解电容C1的正极、二极管D1的阳极，由外部提供5V直流电源，然后通过开关S1接插座XS1的1端；二极管D1的阴极通过电阻R1接插座XS1的2端，又与电解电容C1的负极、电容C4的另一端、直流稳压芯片U1的1脚连接后接地；直流稳压芯片U1的2脚和4脚连接后，又连接电解电容C2的正极及电容C3的一端，连接后输出ARM单片机所需要的3.3V直流电压；电解电容C2的负极与电容C3的另一端连接后接地。

外部提供5V直流电源，通过DC-DC直流稳压芯片输出ARM单片机所需要的3.3V直流电压。ARM单片机的每一组IO都需要提供稳定可靠的3.3V电压，所以采用DC-DC直流稳压芯片。ASM1117直流稳压芯片在输入端、输出端都并联电容，减小电源输出电压的纹波。

如图3所示，调试接口电路采用晶振XTAL，ARM单片机U2的13脚和12脚分别连接晶振XTAL的两端，又分别通过电容C13、电容C14连接到ARM单片机U2的94脚，连接后接地；ARM单片机U2的49脚和73脚分别通过电容C11、电容C12连接到ARM单片机U2的20脚、99脚、74脚、27脚、10脚，连接后接地；ARM单片机U2的21脚、22脚、11脚、19脚、28脚、50脚、75脚、100脚连接后，连接电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9的一端，电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9的另一端连接后接地；插座XS2的1脚和2脚连接后接3.3V直流电压；3脚、5脚、7脚、9脚、13脚、15脚分别连接电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R8、电阻R7及电阻R6的一端，然后分别连接到ARM单片机U2的90脚、77脚、72脚、76脚、89脚、14脚；电阻R3、电阻R4及电阻R5的另一端连接后接3.3V直流电压；电阻R7及电阻R6的另一端连接后接3.3V直流电压；调试接口JTAG插座XS2的17脚、19脚分别通过电阻R9、电阻R10与电阻R8的另一端连接后接地；调试接口JTAG插座XS2的4脚、6脚、8脚、10脚、12脚、14脚、16脚、18脚、20脚连接后接地。

ARM芯片STM32-F407外部接入12M的晶振，为整个ARM单片机工作提供可靠的稳定时钟基础。芯片本身自带JTAG调试接口，能够支持在线仿真，给开发者提供便捷的开发条件，ARM芯片STM32-F407本身需要提供3.3V电压以及电源接地，另外ARM芯片STM32-F407是否正常工作还需要提供有效的复位电压。ARM芯片STM32-F407需要外部晶振提供时钟，这是整个系统正常工作的基本条件，若无外部晶振，则由内部的RC振荡器提供时钟，由于外部环境对此影响较大，故采用可靠的外部晶振来提供时钟信号。由于ARM单片机STM32-F407的复位信号是低电平，通过电容充放电特性设计复位电路，在整个系统刚上电过程会产生复位信号，当电容充满电之后，复位信号变成高电平，系统就能正常工作了。

如图4所示，Ethernet通信接口电路采用型号为LAN8720A以太网驱动芯片U4和型号为HR911105A插座XS3，以太网驱动芯片U4的12脚、13脚、17脚、18脚、16脚、8脚、7脚、11脚、14脚分别连接到ARM单片机U2的25脚、16脚、51脚、52脚、48脚、33脚、34脚、32脚、84脚，以太网驱动芯片U4的15脚连接到ARM单片机U2的14引脚；以太网驱动芯片U4的24脚通过电阻R15接地；以太网驱动芯片U4的21脚、20脚、23脚、22脚、3脚、2脚分别连接到插座XS3的1脚、2脚、3脚、6脚、12脚、10脚；以太网驱动芯片U4的19脚、1脚、9脚、6脚、3脚、2脚分别通过电容C15、电容C16、电容C17、电容C18与以太网驱动芯片U4的25脚连接后接地；以太网驱动芯片U4的5脚连接到ARM单片机U2的24脚；插座XS3的1脚、2脚、3脚、6脚分别通过电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14接3.3V电压；插座XS3的4脚和5脚连接后通过电容C19与8脚连接，连接后接地；插座XS3的11脚接地。

ARM单片机STM32-F407本身没有PHY硬件功能，通过外部添加LAN8720A以太网驱动芯片增加以太网通信功能。ARM单片机STM32-F407芯片与LAN8720A芯片通过RMII接口连接,减少了硬件的连接线，也使软件开发人员减少开发难度。ARM单片机只需要通过RMII接口与LAN8720A芯片连接，通过RMII接口来配置一些内部的工作寄存器，就可以实现以太网的交互功能。

如图5所示，CAN通信接口电路采用型号为MCP2251的CAN芯片U6和型号为TJA1050的CAN芯片U7，其中CAN芯片U6的1脚和4脚分别连接到ARM单片机U2的92脚、91脚，3脚接3.3V电压，2脚接地，8脚通过电阻R16接地，7脚和6脚分别连接电阻R17的两端，然后分别接到接插件J1的2端和3端；CAN芯片U7的1脚和4脚分别连接到ARM单片机U2的82脚和81脚，3脚接3.3V电压，2脚接地，8脚通过电阻R18接地，7脚和6脚分别连接电阻R19的两端，然后分别接到接插件J2的2端和3端。

ARM单片机STM32-F407本身再带CAN的接口功能，但要实际应用通信，需要外加通信的电平芯片，这里通过两款芯片TJA1050芯片以及MCP2251芯片，能够设计满足CAN通信的标准的硬件电路。采用TJA1050芯片以及MCP2251芯片都能够增加CAN传输的抗干扰能力，增加对CAN总线的传输距离。

如图6所示，Uartl通信接口电路采用型号为MAX485电平转换芯片U11，电平转换芯片U11的1脚连接到ARM单片机U2的69脚，4脚连接到ARM单片机U2的68脚，3脚和4脚连接后连接到ARM单片机U2的54脚，8脚接5V电源，5脚接地，7脚和6脚分别连接电阻R22的两端后分别连接到接插件XS7的两端，然后7脚通过电阻R21接地，6脚通过电阻R23接5V电源。

ARM单片机STM32-F407自带串口功能，但是由于芯片本身串口电平是TTL，在传输距离上是有限的，通过外加MAX485电平转换芯片，可以改变串口的通信距离，同时也提高了串口通信可靠度。MAX485芯片内部集成了差分接收与平衡驱动器的组合，增强了传输过程中的抗干扰能力，同时也支持多站点的传输功能，为后期扩展提供基础。

如图7所示，GSM模块、LTE模块及TETRA模块采用MAX232串口芯片U9，串口芯片U9的2脚与16脚之间并接电容C22，并且16脚连接3.3V电压，C20、C21并联的一端连接到3.3V电压，另一端直接接地；15引脚直接接地；串口芯片U9的13脚、11脚、10脚、8脚分别连接到所述ARM单片机U2的87脚、86脚、47脚、48脚；1脚和3脚分别连接电容C23的两端，4脚和5脚分别连接电容C24的两端，6脚通过电容C25接地；串口芯片U9的14脚、12脚、9脚、7脚分别连接到TETRA插座XS5的3脚、2脚及GSM插座XS4的2脚、3脚；ETRA插座XS5的1脚接3.3V电压，4脚和5脚连接后接地；GSM插座XS4的1脚接3.3V电压，4脚和5脚连接后接地；LTE插座XS6的2脚、3脚分别连接到ARM单片机U2的24脚、78脚，1脚接3.3V电压，4脚和5脚连接后接地。

ARM单片机STM32-F407本身自带三种类型的通信模块，分别是LTE、TETRA、GSM模块，都采用最普通常见的控制接口(串口)，通过软件打包模块控制协议(AT协议)，能够迅速便捷的控制通信模块。

透传通信设备就是把主控设备提供的接口下移，主控设备只需要一个能与透传通信设备通信的端口即可，方式可以多样化(Uart、Can、Ethernet)，节省主控单元的资源。透传通信设备主要是负责接收主控设备指令，通过转换之后控制对应的通信模块，主控设备与透传通信设备通过成熟的控制接口相连接，透传通信设备提供丰富的串行接口来连接各个通信模块，保证通信的可靠。由于模块的多样化，透传通信设备可以挂载不同的模块，主控设备只需要发送控制协议，就可以控制多种模块，并且在产品的设计中，两者也可以放置在不同的地方。因此，主控设备与透传通信设备更加独立，移植性高。

Claims (1)

1.一种应用于智能化透传通信设备的透传通信电路，其特征在于，该电路包括型号为STM32-F407的ARM单片机U2，以及与ARM单片机连接的调试接口电路、电源电路、通信接口电路、GSM模块、LTE模块及TETRA模块；所述的通信接口电路分为Uart1通信接口电路、CAN通信接口电路和Ethernet通信接口电路；

所述的电源电路采用型号为ASM1117直流稳压芯片U1，直流稳压芯片U1的3脚连接电容C4的一端、电解电容C1的正极、二极管D1的阳极，由外部提供5V直流电源，然后通过开关S1接插座XS1的1端；二极管D1的阴极通过电阻R1接插座XS1的2端，又与电解电容C1的负极、电容C4的另一端、直流稳压芯片U1的1脚连接后接地；直流稳压芯片U1的2脚和4脚连接后，又连接电解电容C2的正极及电容C3的一端，连接后输出ARM单片机所需要的3.3V直流电压；电解电容C2的负极与电容C3的另一端连接后接地；

所述的调试接口电路采用晶振XTAL，所述的ARM单片机U2的13脚和12脚分别连接晶振XTAL的两端，又分别通过电容C13、电容C14连接到ARM单片机U2的94脚，连接后接地；ARM单片机U2的49脚和73脚分别通过电容C11、电容C12连接到ARM单片机的20脚、99脚、74脚、27脚、10脚，连接后接地；ARM单片机U2的21脚、22脚、11脚、19脚、28脚、50脚、75脚、100脚连接后，连接电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9的一端，电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9的另一端连接后接地；插座XS2的1脚和2脚连接后接3.3V直流电压；3脚、5脚、7脚、9脚、13脚、15脚分别连接电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R8、电阻R7及电阻R6的一端，然后分别连接到ARM单片机U2的90脚、77脚、72脚、76脚、89脚、14脚；电阻R3、电阻R4及电阻R5的另一端连接后接3.3V直流电压；电阻R7及电阻R6的另一端连接后接3.3V直流电压；插座XS2的17脚、19脚分别通过电阻R9、电阻R10与电阻R8的另一端连接后接地；插座XS2的4脚、6脚、8脚、10脚、12脚、14脚、16脚、18脚、20脚连接后接地；

所述的通信接口电路分为Uartl通信接口电路、CAN通信接口电路和Ethernet通信接口电路，其中Ethernet通信接口电路采用型号为LAN8720A以太网驱动芯片U4和型号为HR911105A插座XS3，以太网驱动芯片U4的12脚、13脚、17脚、18脚、16脚、8脚、7脚、11脚、14脚分别连接到所述的ARM单片机U2的25脚、16脚、51脚、52脚、48脚、33脚、34脚、32脚、84脚，以太网驱动芯片U4的15引脚连接到ARM单片机U2的14引脚；以太网驱动芯片U4的24脚通过电阻R15接地；以太网驱动芯片U4的21脚、20脚、23脚、22脚、3脚、2脚分别连接到插座XS3的1脚、2脚、3脚、6脚、12脚、10脚；以太网驱动芯片U4的19脚、1脚、9脚、6脚、3脚、2脚分别通过电容C15、电容C16、电容C17、电容C18与以太网驱动芯片U4的25脚连接后接地；以太网驱动芯片U4的5脚连接到ARM单片机U2的24脚；插座XS3的1脚、2脚、3脚、6脚分别通过电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14接3.3V电压；插座XS3的4脚和5脚连接后通过电容C19与8脚连接，连接后接地；插座XS3的11脚接地；

所述的CAN通信接口电路采用型号为MCP2251D的CAN芯片U6和型号为TJA1050的CAN芯片U7，其中CAN芯片U6的1脚和4脚分别连接到所述ARM单片机U2的92脚、91脚，3脚接3.3V电压，2脚接地，8脚通过电阻R16接地，7脚和6脚分别连接电阻R17的两端，然后分别接到接插件J1的2端和3端；所述CAN芯片U7的1脚和4脚分别连接到ARM单片机U2的82脚和81脚，3脚接3.3V电压，2脚接地，8脚通过电阻R18接地，7脚和6脚分别连接电阻R19的两端，然后分别接到接插件J2的2端和3端；

所述的Uartl通信接口电路采用型号为MAX485电平转换芯片U11，电平转换芯片U11的1脚连接到所述ARM单片机U2的69脚，4脚连接到ARM单片机U2的68脚，3脚和4脚连接后连接到ARM单片机U2的54脚，8脚接5V电源，5脚接地，7脚和6脚连接电阻R22的两端后分别连接到接插件XS7的两端，然后7脚通过电阻R21接地，6脚通过电阻R23接5V电源；

所述的GSM模块、LTE模块及TETRA模块采用MAX232串口芯片U9，串口芯片U9的2脚与16脚之间并接电容C22，并且16脚连接3.3V电压，电容C20、电容C21并联的一端连接到3.3V电压，另一端直接接地；15脚直接接地；串口芯片U9的13脚、11脚、10脚、8脚分别连接到所述ARM单片机U2的87脚、86脚、47脚、48脚；1脚和3脚分别连接电容C23的两端，4脚和5脚分别连接电容C24的两端，6脚通过电容C25接地；串口芯片U9的14脚、12脚、9脚、7脚分别连接到TETRA插座XS5的3脚、2脚及GSM插座XS4的2脚、3脚；TETRA插座XS5的1脚接3.3V电压，4脚和5脚连接后接地； GSM插座XS4的1脚接3.3V电压，4脚和5脚连接后接地； LTE插座XS6的2脚、3脚分别连接到ARM单片机U2的24脚、78脚，1脚接3.3V电压，4脚和5脚连接后接地。